浅析河床演变与河道运动

陈迪辉 唐 杰 刘炳锐（河海大学，江苏 南京 210000)

河床在自然条件或人为因素作用下发生的变化称为河床演变。河床本身是有自我调节作用的，水流的变化与河床的变化会相互影响，并逐渐趋于平衡。河床形态与水流和输沙率有关，一定的河床形态有与其相适应的水流和输沙率。

造成河床演变的主要原因是输沙不平衡。若上游来沙量大于本河段的输沙能力，即携沙量过大，则多余的沙会下沉，导致河段淤积，同时，由于河段淤积，过水断面减小，使得河流的流速增大，同时糙率减小，河段输沙能力提高，最终等于上游来沙量，输沙平衡，淤积停止。反之，若上游来沙量小于本河段的输沙能力，即携沙量过小，则水流会从本河段的河床部分携走一部分泥沙，导致河段冲刷，同时，由于河段冲刷，过水断面增大，使得河流的流速减小，同时床沙变粗，糙率增加，河段输沙能力降低，最终等于上游来沙量，输沙平衡，冲刷停止。

然而，对于河道而言，来沙量等于河段输沙能力的平衡状态时的，这主要是由于上游来沙量的不断变化和本河段沙波运动的存在。所谓沙波运动是一种推移质集体输移的表现形式。沙波是在水流作用下形成，与水流强度有关。室内试验表明：随着水流强度的不断增大，沙波尺度的变化过程大体是由静平床床面沙粒聚集所形成的波高较小的沙纹，到波长、波高逐步增大的沙垄，在沙垄达到最大最高后，随着水流强度的进一步增大，沙垄逐渐趋于衰亡，并形成所谓的动平床。在这一过程中，波高随水流强度的变化呈先增后减的基本规律，但是推移质输沙率与水流强度却并不是线性相关的变化规律。沙波运动又是推移质运动的外在表现形式，因此沙波运动的发生、发展、消亡的过程是一个能反映推移质输沙率变化的过程。沙波运动是床沙互相交换的最基本最主要的原因。床沙活动交换层厚度随沙波高度、沙波运动周期及计算时段而变化。来沙量的变化和沙波运动的存在使得河段始终处于不平衡的状态，即河床演变是永恒的。

影响河床演变的主要因素有来水情况、来沙情况、河谷比降及河床形态。其中，来水情况、来沙情况和比降决定水流泥沙条件，反映了输沙的不平衡，难以人为控制。河床形态决定了河床条件，可以人为改变。因此，我们在进行航道整治时，应该从改变河床形态着手，达到对流速、水深等方面的要求。

河床改变的具体表现即为水深h、河宽B 和比降S 的变化。这些因素与来水来沙条件、河床地质条件之间的函数关系称为河相关系。河相关系描述了与来水来沙及河床地质条件相适应的均衡状态，是冲积河流水力计算和河道整治的依据。

若河床和边岸的物质组成不改变或流域来水来沙没有多大变化，在准平衡时段内，河道能够在河道平面摆动和断面有冲有淤的演变过程中达到一个稳定、平衡的一般形态，河道的主要几何尺寸基本不变，此时称河流处于平衡状态或河流为均衡河道，此状态下河宽B、比降S、弯道形态维持一个稳定的值。上述几何形态围绕一个平均值不断波动，或水沙输运过程达到均衡，在可能的范围内使输运给定的沙量所消耗的水流机械能最小，此时可称河道处于均衡状态。而对于均衡河道的形态，对确定易蚀颗粒介质M 和河流流量Q 的河段而言，河道演变为均衡河道后的河宽B、水深h 及比降S 均可确定，且不随时间变化，而且与河段初始的河宽B0，水深h0 和比降S0 无关。

目前均衡河道公式的的推导还尚未解决。对于一段经过足够时间演变的河道而言，均可认为河道处于均衡状态。若河段的流量Q 可改变，且有一定范围，则河道的河宽B、水深h 和比降S 也可由以M、Q为参数的函数确定。现有的公式都是纯经验得到的，而且理论上不够严谨，适用范围也有限，如T.Blench 公式和D.B.Simons and M.L.Albertson 公式。从两方的公式大致可得到B 与Q 的1/2 成线性关系，h与Q 的1/3 成线性关系。

对于均衡河道的运动趋势，考虑均衡河道的运输能力，由于河床上的流动假定为二向流，则等速线可视作水平直线，并与河岸等速线相切，如此，总的流动就可以分为两个部分，一部分在二向河道流动，宽度B0，另一个在以正弦曲线为边界的河道流动。

假定初始弯曲河道的比降为S0，S0 可由公式确定。若一条顺直均衡河道已经形成且S＜S0，且其中的水流并不稳定，极其微小的间断会将水流形态从顺直型逐渐改为正弦型，因此一侧河道流速与剪应力会大于临界值，另一侧会小于临界值，因而导致冲刷与淤积，最终将河道改造为正弦形态，河道开始弯曲，弯曲的振幅增大，直到弯曲部分弧长达到一定值，S 减小到一定值，使得流速减小无法再继续冲刷河岸。此时河道振幅达到最大值，弯曲河道完成最终形态。但是这并非意味着河道保持不动，实际上河道会沿着河流前进方向移动。

综上，本文从河床演变的原理、影响因素以及均衡河道的运动情况进行了分析，简单叙述了河流运动与演变的机理。

［1］M.S.Yalin River Mechanics，P.Eng，A.M.A.F.da Silva，P.Eng.

［2］顾圣平，田富强.水资源规划及利用[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

［3］左东启，王世夏.水工建筑物[M].南京：河海大学出版社，1995.

［4］朱党生.河流开发与流域生态安全[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

［5］董哲仁，孙东亚.生态水利工程原理与技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

［6］傅伯杰.景观生态学原理及应用[M].北京：科学出版社，2001.